新能源動力電池的創(chuàng)新競賽到哪一步了？

    很難想象如果生活中沒有了電池會是什么樣子。且不說滿大街送外賣的快遞小哥要急紅了眼，大多數(shù)已經(jīng)患上“電子產(chǎn)品重度依賴晚癌”的現(xiàn)代人顯然無法適應沒有了愛瘋、PSP的日子；放眼望去，滿大街溜溜跑的純電動汽車失去了用武之地，由一塊小小的電池建構起的現(xiàn)代生活似乎瞬間分崩離析...

    只要經(jīng)常各地飛的朋友們不難發(fā)現(xiàn)，機場里除了咖啡館和各種餐館常常人滿為患，大家候機時最喜歡待得地方，莫過于各個登機口旁邊放置的充電柱，因為現(xiàn)在無論哪個牌子的智能手機，如果連續(xù)使用，續(xù)航都超不過6~8個小時；而面對市場上眾多品牌的電動車型，單次充電續(xù)航里程的多少，也成了消費者購買電動汽車的主要衡量標準，甚至“里程焦慮”（Range Anxiety）這樣的詞匯也應運而生。

    原地踏步？

    像電池這種在現(xiàn)代生活中扮演著重要角色的儲能產(chǎn)品，卻遲遲跟不上前沿科技快速前進的腳步，而赤裸裸的現(xiàn)實只會令人更加郁悶，特別是硅谷很多創(chuàng)業(yè)家對電池技術的發(fā)展缺乏類似“摩爾定律（Moore's Law）”這樣的理論支撐而深感惋惜。

    “摩爾定律”是由英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾于1965年提出的，他預測“計算機芯片每18個月性能都會翻倍，但成本卻在逐漸降低”。對英特爾這樣的芯片商而言，摩爾定律的出現(xiàn)反倒成了刺激其技術突破的外部力量，所以電池產(chǎn)業(yè)亟待一場能夠帶來翻天覆地變化的革命力量。

    誠然，我們?nèi)粘Ｊ褂玫碾姵匾呀?jīng)在性能上有了大幅提升，但是相比摩爾定律描述的芯片技術的革新速度，仍相差萬里。目前大多數(shù)移動電子設備和電動汽車都靠鋰電池功能，而正是索尼在20世紀90年代將其實現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)。在過去的幾年里，鋰電池的重量越來越輕，但容量和性能卻與日俱增，像蘋果MacBook Air使用的大尺寸鋰電池，在正常工作模式下，可實現(xiàn)12小時的超長待機。

    美國勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory），電化學技術小組負責人Vincent Battaglia認為“鋰電池是一種近乎理想的電池”。因為鋰是地球上重量最輕的金屬，相比鉛、鋅和鎳鎘這些比重更大的替代品，它攜帶電子的能力更勝一籌。此外，鋰電池不會出現(xiàn)鎳鎘電池的“記憶效應”，所以你完全不必等電量耗盡，隨充隨用也不用擔心會對電池造成傷害。

    但現(xiàn)在的焦點其實在鋰電池自身的相對短板上。鋰的過于活潑導致安全性問題，能量密度偏低，儲電成本偏高等。

    盡管目前很多科研人員都在努力嘗試，但大家面臨的主要問題在于如何將理想化的實驗成果轉化為可大批量生產(chǎn)的、日常生活能夠使用的電池產(chǎn)品。由于在電極材料的選擇和制造工藝上，并無大幅改觀，因此不少科學家對鋰電池能量密度是否能在現(xiàn)有水平上得到進一步提升，仍持保留意見。

    鋰電池電極、電解質(zhì)的各種創(chuàng)新

    目前Battaglia博士領導的實驗小組正在研究一種名為“過渡金屬”（transition metals）的材料。這是一種由金屬錳、鎳、鈷和石墨組成的混合物，可用來充當鋰電池的電極。Battaglia表示只要找到上述四種金屬的最佳配比，就能夠有效提高原有鋰電池的能量密度。相比開發(fā)一款全新電池產(chǎn)品所耗費的精力和財力，這種“借力”的方式實在是有夠機智！

    其他機構的研究人員則探索了多種提高電池能量密度的方式。來自美國斯坦福大學的崔毅和他的同事們正在開發(fā)一種薄膜，它的厚度只有原子大小，可用來包裹電池陽極。據(jù)悉，經(jīng)過薄膜包裹處理后的陽極能夠承載鋰離子的數(shù)量大幅增加，同時搭配用硫制成的陰極（硫，和金屬鋰類似，有著很高的能量密度），其存儲的電能總量約為同質(zhì)量鋰電池的5倍。

    無獨有偶，美國橡樹嶺國家實驗室的梁誠度（音譯）及其研究團隊有著類似的實驗成果。他們正在開發(fā)的一款鋰硫電池并沒有采用傳統(tǒng)液態(tài)或膠狀的電解質(zhì)，而是“劍走偏鋒”的使用了固態(tài)電解質(zhì)，這使得電池本身會變得更加穩(wěn)定，即使能量密度大幅提升也不用擔心出現(xiàn)過熱起火的事故。不過遺憾的是，即便這些電池目前已經(jīng)具備了商業(yè)化的條件，但在正式推向市場之前，還有著很長的一段路要走。

美國橡樹嶺國家實驗室開發(fā)的鋰硫電池

    其實，一些體積非常小的固態(tài)電池在小型裝置和傳感器上并不陌生，它們經(jīng)常被用作微型芯片的備用電源。不過這種固態(tài)電池的生產(chǎn)方式和傳統(tǒng)鋰電池大為不同，和半導體的制作工藝頗為相似，即將電池材料通過“印刷”的方式置于底層基板上。

    盡管這種固態(tài)電池的能量密度極高，但如若生產(chǎn)用于手機和電動汽車使用的大型產(chǎn)品，成本造價則太過昂貴。為此，已經(jīng)有很多公司在積極嘗試改變這一現(xiàn)狀。Sakti3作為密歇根州本土的一家電池供應商，目標是將“鋰-*電池”每千瓦時的儲能費用降至100美元左右，而英國知名吸塵器制造商戴森近日則為這家公司注資1500萬美金，用于支撐該研究項目的進行。此外，德國大眾集團數(shù)月前曾購入一家位于硅谷、致力于固態(tài)電池研究的初創(chuàng)公司——QuantumScape的5%股權。

    從理論上來看，鋰空氣電池的能量密度最高，而空氣的使用則會大幅降低該電池的重量。盡管研究人員數(shù)年一直在嘗試制作類似的鋰電池，但目前還只是停留在試驗階段，尚無任何可投入商用的重大成果推出。